研究揭示植物光合作用光适应的新机制

光照是光合作用重要的环境因子。在自然界，植物接受的光照强度时刻发生变化，过低或者过高的光强均影响植物光合作用效率。因此，植物形成了独特的生理机制来适应外界光强的动态变化，以最大程度地维持高效光合作用。光适应机制的相关研究对提高大田作物光合作用效率尤为重要，但其相关分子机理还未被揭示。

中国科学院植物研究所迟伟研究组综合运用遗传学、生物化学以及植物生理学等多种技术手段，揭示出一种植物光适应的新机制。科研人员以叶绿素荧光参数为指标，筛选到一个对高光敏感的拟南芥突变体nadk2。遗传分析表明，该基因编码一个定位于叶绿体的NAD磷酸激酶，负责催化NAD生成NADP⁺。该突变体由正常的光强转移到高光条件时，光系统II（PSII）的最大光化学效率以及光合电子传递速率会显著下降，表现出典型的光抑制现象。进一步的波谱学研究表明，该突变体的光抑制性由光系统I（PSI）功能受损引起，PSI复合物的两个亚基psaA和psaB的合成效率在该突变体中显著降低。由于光合作用电子传递的最终产物是还原力NADPH，以用于碳同化过程。NADK2能够影响PSI电子受体侧NADP库的大小，从而间接影响植物体内PSI复合物的生成。因此该研究在光适应、还原力NADPH以及PSI合成之间建立了新的关联机制。当植物生长环境的光强发生变化，叶绿体NADP库的大小会随光强发生改变。叶绿体会根据NADP库的大小，利用特殊的反馈机制，自动调整psaA和psaB蛋白的合成速率，从而迅速调节PSI的含量和活性，避免PSI发生光抑制现象。该研究为深入认识植物光合作用的光保护机制以及光反应和碳同化协同机制提供了新线索，并为作物光适应能力的遗传改造提供了一定的理论基础。

相关研究成果于4月6日在线发表在Plant Physiology上。研究工作得到中科院、科技部以及国家自然科学基金委的资助。

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植物NADK依赖的光合作用光强适应新机制示意图